Materiale conductoare termic în sisteme de stocare a energiei

În ingineria electrică, progresele tehnologice au creat nevoia de a găsi noi soluții pentru disiparea căldurii.

Apariția materialelor termoconductoare pe piață a permis modernizarea (în principal miniaturizarea) aplicațiilor. Acest lucru a fost posibil datorită proprietăților de conductivitate termică și izolare electrică ale acestor componente. De-a lungul timpului, s-a început să se ia în considerare utilizarea materialelor conductoare termic în bateriile externe, deoarece aceste materiale au performanțe semnificativ mai slabe și sunt mai predispuse la defecțiuni la temperaturi ridicate.

La proiectarea sistemelor de răcire, trebuie luați în considerare mulți factori:

• Rezistența electrică (izolație și rezistență)
• Rezistența la factori externi (temperatură, șocuri, praf)
• Puterea medie și maximă a dispozitivului
• Temperatura maximă de funcționare
• Eficiența sistemului de răcire
• Netezimea/porozitatea suprafeței de răcire.

Cei mai importanți parametri care caracterizează materialele conductoare termic sunt:

Conductivitatea termică – cantitatea de căldură care va trece printr-un anumit material în anumite condiții și în timp. Fiecare material are o valoare diferită a conductivității termice, ceea ce face ca nu toate să fie potrivite pentru aplicații de disipare a căldurii. Materialele termoconductoare utilizează cel mai adesea amestecuri de particule de oxid metalic (materiale de umplutură) de diferite dimensiuni și forme pentru a obține valoarea conductivității adecvate.

Rezistență termică – aceasta este rezistența pe care un anumit material o oferă fluxului de căldură. În sistemele de răcire, rezistența termică este foarte importantă – dorim să selectăm un material cu cea mai mică rezistență termică pentru a obține cea mai bună performanță posibilă de disipare a căldurii. Unul dintre principalele obiective ale unor astfel de aplicații este eliminarea golurilor de aer dintre suprafețele conectorilor, deoarece aerul are o rezistență termică ridicată.

Tipuri de materiale utilizate în depozitarea bateriilor.

Adezivi termoconductori – aceștia sunt adezivi speciali adaptați pentru a funcționa în condiții dure. Aceștia rezistă la temperaturi ridicate și nu se usucă, ceea ce înseamnă că își pot menține proprietățile pentru o perioadă lungă de timp. Utilizarea adezivului îmbunătățește disiparea căldurii, fixând simultan conectorii, eliminând necesitatea șuruburilor sau clemelor. Acestea sunt cel mai adesea utilizate pentru a stabiliza și fixa celulele bateriei, reducând ratele de defecțiune ale dispozitivelor, asigurând în același timp o disipare optimă a căldurii.

Materiale de umplere a golurilor (GFL) – sunt compuși termici care pot fi utilizați pentru a încapsula dispozitive și aplicați pe radiatoare sau capace de carcasă. Avantajul lor cheie este ușurința aplicării, care permite protejarea geometriilor complexe. Aceste materiale sunt de obicei utilizate pentru a crea o așa-numită „cale de conducție”. Această soluție îmbunătățește proprietățile termice, oferind absorbția șocurilor și stabilitate. În plus, utilizarea materialelor de umplere îmbunătățește izolația electrică, ceea ce se traduce prin utilizarea în siguranță a dispozitivului electric.

Materiale de umplere – aceste materiale sunt structural foarte similare cu materialele de umplere a golurilor, dar diferă prin proprietățile lor mecanice și electrice. Materialele de umplere sunt folii cu geometrii specifice, furnizate în foi, role sau tăiate în forme specifice. Acestea sunt concepute pentru a compensa neregularitățile componentelor, eliminând astfel eficient bulele și golurile de aer și sunt utilizate în aplicații sensibile la presiune.

Care sunt beneficiile utilizării materialelor termoconductoare?

Atunci când se analizează efectul temperaturii asupra bateriilor, este important de reținut că temperaturile variabile au un impact semnificativ asupra performanței bateriei. Creșterile de temperatură peste valorile recomandate de producător se traduc în pierderi semnificative de capacitate, care pot ajunge până la 50% din capacitatea bateriei. Funcționarea la temperaturi nefavorabile duce la îmbătrânirea bateriei în timp, ceea ce duce la creșterea ratelor de defecțiune. Prin urmare, utilizarea materialelor care disipă eficient căldura pentru a menține o temperatură optimă permite timpi de funcționare mai lungi și performanțe îmbunătățite ale dispozitivului de stocare a energiei.

Materialele termoconductoare stabilizează, de asemenea, celulele bateriei și întreaga baterie față de vehicul, protejând-o de deteriorarea mecanică. Acest lucru este important deoarece șocurile potențiale la care poate fi supus un dispozitiv de stocare a energiei determină căderea masei active a plăcilor din celule. Acest lucru, la rândul său, duce la o scădere a capacității bateriei și, în cazuri extreme, la un scurtcircuit intern. Acest tip de defecțiune distruge bateria și necesită înlocuirea acesteia.

Dispozitivele de stocare a energiei sunt predispuse la defecțiuni legate de curenții mareici. Acestea prezintă un risc pentru persoanele care lucrează în apropiere. Curenții de scurgere pot apărea ca urmare a: contaminării blocului bateriei, scurgerilor de electrolit prin carcasa bateriei sau formării de goluri și fisuri în carcasa bateriei. Utilizarea materialului de umplutură îmbunătățește izolația electrică, ceea ce se traduce prin siguranța instalației și durata sa de viață mai lungă.

Concluzii

Materialele termoconductoare sunt utilizate în aplicații care generează cantități mari de căldură, cum ar fi în dispozitivele de stocare a energiei discutate mai sus. Utilizarea materialelor termoconductoare crește siguranța în funcționare a bateriilor, acumulatorilor și dispozitivelor de stocare. Acestea asigură stabilizarea temperaturii de funcționare a stocării, permițând utilizarea acesteia pentru o perioadă mult mai lungă, atingând în același timp performanțe maxime. În aplicațiile expuse la vibrații, merită luată în considerare utilizarea materialelor de umplutură pentru a minimiza posibilitatea deteriorării mecanice a bateriilor din cauza vibrațiilor.

Analizând beneficiile materialelor conductoare termic în aplicațiile de stocare a energiei, putem afirma cu încredere că acestea reprezintă o investiție valoroasă, care va reduce costurile asociate cu funcționarea și întreținerea unor astfel de dispozitive, oferindu-le protecție și contribuind la menținerea unor condiții de funcționare corespunzătoare.